泥石流流量的数字模拟分析——以云南省永胜县马坪子大箐泥石流为例

张桥

（四川省煤田地质局一三五队四川泸州646000）

泥石流流量的数字模拟分析
——以云南省永胜县马坪子大箐泥石流为例

张桥

（四川省煤田地质局一三五队四川泸州646000）

在进行治理工程设计参数的分析上，对最关键的流量参数进行了数值模拟，利用FLOW-3D的General Moving Object model模型进行模拟计算，通过对10年一遇暴雨、30年一遇暴雨、50年一遇暴雨及100年一遇暴雨采用雨洪法及模拟计算进行对比后，通过加权平均，模拟计算结果为雨洪法计算结果的83.5%，可见雨洪法计算得出的结论更趋保守，但模拟计算更接近实际情况，因此结果更具针对性。

泥石流流量；模拟计算

泥石流流量在泥石流各项参数处于十分重要的地位，像一次泥石流过流总量、一次泥石流固体冲出物等设计数据，都是以泥石流流量为基础进行计算的。

而泥石流流量的计算方法复杂且多种多样，甚至同一种算法在不同地区的公式及取值都不尽相同：例如雨洪法计算中的汇流参数m计算公式在四川地区和云南地区的差异性就较大；而暴雨递减系数n在四川地区是采用1h、6h雨强在各频率系数修正后进行计算，但在云南地区则是通过查水文手册取值。这些方式的不同往往导致计算结果存在较大偏差，怎样选择一种具代表性、精度较高的计算方式，对泥石流治理的研究是十分重要的。通过查阅相关资料，当前普遍的泥石流流量计算方法都存在计算精度不高，参数取定困难，计算结果与泥石流实际流量差异较大等情况，这些公式方法都是学者在经验研究的基础上得出的，而以前的研究往往针对泥石流单沟，系统性的分析大量泥石流的研究较少，从而导致现阶段计算方法不具代表性。近些年来，由于计算机的广泛应用，数值模拟技术得到高速发展，将数值模拟引入泥石流流量计算，能够最大程度的模拟泥石流地形、坡降等重要参数，由此得出的流量数据与泥石流的实际情况相吻合，这样在进行治理工程设计时，就避免了由于流量问题导致的设计保守，使得在满足治理效果的前提下，达到治理费用的最优化。

现阶段针对粘性、稀性泥石流流量建立的模型有：①粘塑技术（粘性泥石流）；②颗粒滑动技术（稀性泥石流）；③综合阻力系数计算（粘性、稀性泥石流）。

1 粘塑技术

指数流变方程针对不同性质的泥石流计算方程是不同的，本次只对粘性泥石流进行分析研究，公式如下：

其中：h为水深；y为距河床的距离；u为沿水流方向的点流速；

γm为泥石流水沙混合体的容重；u为动力粘滞系数；η为指数方程中的粘性剪切力指数（对宾汉流体，η=1）；τi为内部剪切力，τy为屈服应力。如果将si表示为屈服应力、粘性和有关水力要素的函数，可以得到：

上述公式主要与含砂量、体积有关。通常情况下，粘性泥石流对屈服应力的要求较高，在水深、河床坡降、流速等方面必须到达相关指标。

2 颗粒滑动技术

颗粒滑动技术的应用具备一定的前提条件，但由于其在模拟过程中可以对坡率、水动力条件、粒径等方面进行分析，其计算结果的准确性较高，相关公式如下：

其中，e为系数；x1，x2分别为孔隙水压力恢复区和泥石流前坡的位置；ka/p为常数系数；θ为河床坡降；φhed为内摩擦角。在对纵坡率在20～30°之间的稀性泥石流计算结果可靠性最高。

3 综合阻力系数技术

综合阻力系数方法与泥石流重度、水力半径及坡率有密切关系，且横向、纵向剪应力也是一个重要参数，泥石流中剪应力的形成、分布比较复杂，可以由内外摩阻力、紊流等条件产生，因此在各剪应力分力合并为剪应力合力的计算上，必须选择合理的模拟形式。剪应力合力公式为：τi=γmRSi，其中τi为泥石流床面总剪切力；si为综合能坡，si=n2tf（Q，R，A）。

同样，泥石流所涉及的各种阻力也存在这种问题，如何采用合理的综合阻力系数代表所有阻力，这也是该项技术面临的难点、重点，同时在模拟计算时，由于可以在流量计算中运用sf、se、sl及u等重要参数，该技术计算得到的成果也与泥石流流量的真实情况相吻合。

4 模拟计算方法的验证

本文以马坪子大箐泥石流沟为例，对雨洪法及模拟计算方法进行比较。马坪子大箐泥石流沟流域面积约0.298km2，纵向沟长约1.95km，纵向坡降539.69～980.75‰，由两条主沟六条支沟组成，沟谷形态整体狭长，沟道呈一典型的“V”字型峡谷，按10年一遇暴雨进行计算沟口流量为12.88m3/s，30年一遇暴雨进行计算沟口流量为18.26m3/s，50年一遇暴雨进行计算沟口流量为20.82m3/s，100年一遇暴雨进行计算沟口流量为24.33m3/s。泥石流流域内山势陡峭，地表松散堆积物丰富，多呈块石状，其中粒径在0.2～0.7m之间的占70%，粒径在0.7～1.5m之间的占30%。

图1 10年一遇暴雨雨洪法、模拟计算结果过程线

图2 30年一遇暴雨雨洪法、模拟计算结果过程线

图3 50年一遇暴雨雨洪法、模拟计算结果过程线

而利用模拟技术进行计算，由于马坪子大箐泥石流沟为稀性泥石流，且平均坡降大于大于φhed（20～30°），运用颗粒滑动技术模型，选取General Moving Object model（FLOW-3D）模型对泥石流沟口流量进行分析研究（图1～4）。

根据10年、30年、50年及100年一遇暴雨雨洪法、模拟计算结果过程线进行分析，可以得到马坪子大箐泥石流沟口流量按10年一遇暴雨为10.56m3/s，按30年一遇暴雨为15.15m3/s，按50年一遇暴雨为17.48m3/s，按100年一遇暴雨为20.68m3/s。通过加权平均，将采用颗粒滑动技术模型计算得到的泥石流沟口流量与雨洪法计算得到的泥石流沟口流量进行对比，可以发现雨洪法得出的数值更大，按该数值进行设计更显保守，而模拟计算结果仅为雨洪法计算结果的83.5%，按该数值进行设计，在保证治理工程能够达到治理效果的基础上，又节约了费用，再加之在模拟计算中，可以加入不能带入雨洪法计算的各种与流量直接或间接相关的参数，如动力粘滞系数、摩阻坡降等，其结果与泥石流流量的实际情况较为接近。

图4 100年一遇暴雨雨洪法、模拟计算结果过程线

5 结语

本文通过以马坪子大箐泥石流沟口流量计算为例，将按颗粒滑动技术模型、雨洪法两种算法得到的结果进行比较分析，得出数值模拟技术更具可靠性、优越性的依据。泥石流流量计算是一个复杂、系统的过程，采用相同模型、不同影响因子计算的结果也存在较大偏差，因此在建立模型的过程中，也要对各因子进行筛选，并对数值进行校核，如条件可能，最好与周边相似工程计算结果进行类比，以得出最合理的组合方式。每种模拟技术都有其局限性，包括颗粒滑动技术，但随着科技技术的不断发展，将来在泥石流流量及其它重要参数的分析计算上，将与泥石流的实际情况越来越接近。

[1]李宗臣.浅谈地质灾害的防与治.台声·新视角，2005.

[2]罗元华.泥石流堆积数值模拟及泥石流灾害风险评估方法研究.中国地质大学博士论文.1998.

[3]耿弘，梁永宁，任坚.云南地质灾害及灾害防治.云南地质，2002（03）.

[4]唐川.汶川地震区暴雨滑坡泥石流活动趋势预测[J].山地学报，2010，28（3）：341～349.

[5]谢洪，钟敦伦，矫震，等.2008年汶川地震重灾区的泥石流[J].山地学报，2009，27（4）501～509.

[6]唐川，铁永波.汶川震区北川县城魏家沟暴雨泥石流灾害调查分析[J].山地学报，2009，27（5）：625～630.

[7]张自光，张志明，张顺斌.都江堰市八一沟泥石流形成条件与动力学特征分析[J].中国地质灾害与防治学报，2010，21（1）：34～38.

[8]曹屹东.汶川震区典型暴雨泥石流形成特征与条件的实验研究[D].成都理工大学，2010.

[9]齐信.基于3S技术强震区地质灾害解译与危险性评价研究——以四川省北川县为例[D].成都理工大学，2010.

[10]崔鹏，庄建琦，陈兴长，等.汶川地震区震后泥石流活动特征与防治对策[J].四川大学学报（工程科学版），2010，42（5）10～19.

[11]苏延敏.数值模拟在泥石流流量计算中的应用.山西建筑，2010，7.

P642.23

A

1004-7344（2016）28-0214-02

2016-9-21

张桥（1983-），男，工程师，硕士，主要从事工民建勘察、岩土设计及地质灾害勘查、设计等工作。